长期荷载对方钢管混凝土轴心受压柱承载力的影响研究

以方钢管混凝土柱为研究对象,从钢材及混凝土两种材料单轴受压的应力-应变关系出发,将方钢管混凝土柱截面中钢管部分与混凝土部分的内力叠加,推导了考虑长期荷载作用影响的方钢管混凝土轴心受压柱在加载过程中的荷载-应变关系的函数表达式,取函数最大值为相应参数下构件的抗压承载力值。用该计算方法计算已有文献中试验构件的承载力值,计算结果与试验结果吻合较好。结合钢管局部屈曲、截面配筋率、钢材强度及混凝土徐变量等因素,分析了长期荷载作用对构件承载力的影响,结果表明:长期荷载对方钢管混凝土柱承载力影响程度较小。     

内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱生命周期内的力学性能

为了研究内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱在生命周期内的受力机理,利用有限元软件ABAQUS建立该类短柱的计算模型,并与已有的相关试验结果进行对比。模型中将钢管初应力和长期荷载作为生命周期内的主要因素进行考虑,分析了内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱生命周期内的荷载-变形全过程曲线、跨中截面各部件纵向应力分布和钢材与混凝土之间的相互作用力; 考察了初应力系数、长期荷载比和含钢率对构件承载力和变形的影响规律。结果表明:考虑钢管初应力和长期荷载作用的内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱极限承载力与一次加载情况下相比变化不明显,但极限承载力对应的纵向应变增长84.2%; 在长期持荷阶段,核心混凝土发生卸载现象,其承担的荷载下降了30%左右,再加载阶段又继续承载; 钢管与混凝土之间的接触应力在中截面处最大,沿构件长度方向逐渐向两端减小; 随着钢管含钢率增大,构件极限承载力增大,变形减小,而型钢含钢率对构件变形影响较小; 随着初应力系数和长期荷载比的增大,构件纵向变形增大。     

压弯作用下设传力构件的矩形钢管混凝土柱力学性能研究

为研究设置传力构件的矩形钢管混凝土柱在偏压作用下的力学性能,采用有限元软件ABAQUS建立一个矩形钢管混凝土柱3层模型,不考虑钢管壁与核心混凝土之间的黏结作用,只设置传力构件,分析在大小偏压作用下模型的变形能力。结果表明,在偏压作用下设置传力构件的矩形钢管混凝土柱钢管壁和核心混凝土很好地实现了共同工作,且变形基本符合平截面假定。为进一步研究在偏压作用下设置传力构件的矩形钢管混凝土柱的承载能力,建立了一个简化的设置传力构件的矩形钢管混凝土框架30层模型,选择不同的轴压比,计算求得设置传力构件的矩形钢管混凝土柱承载力骨架曲线。根据CECS 159∶2004《矩形钢管混凝土结构技术规程》,得到设置传力构件的矩形钢管混凝土柱偏压承载力的计算方法,并针对规程中关于大偏压承载力的计算方法提出可进一步完善的建议。基于GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》,给出CECS 159∶2004规程中大偏心受压阶段矩形钢管混凝土柱正截面受压承载力调整计算式。     

几何缺陷对双向偏压作用下矩形钢管混凝土柱受力性能影响分析

矩形钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁具有便捷的连接方式和节点构造,被广泛用作现代建筑中的结构柱,其常常处于双向压弯状态。考虑组合柱中的相互作用和截面扭转变形的影响,建立了精细化的矩形钢管混凝土柱双向偏心受压作用下力学性能分析的有限元模型,计算结果与已有双向偏压矩形钢管混凝土柱试验结果吻合较好。文章重点分析了初始几何缺陷对构件受力性能的影响。分析结果表明,初始几何缺陷会减小构件沿强轴变形的刚度,增强沿弱轴变形的刚度;几何缺陷控制在构件长度的1/1000以内时,其对极限承载力的影响可忽略。     

高强钢管混凝土核心柱轴压短柱的承载力研究

利用数值分析方法对高强钢管混凝土核心短柱 (L/D <4)在轴心受压时的荷载 变形关系曲线进行了全过程分析。用以往试验结果进行验证 ,吻合良好。并分析了钢管套箍指标 ,钢管强度和混凝土强度对轴压承载力的影响。最后提出了高强混凝土核心短柱轴心受压强度承载力的简化计算公式。     

考虑持久荷载影响的CFT柱稳定承载力试验研究

进行以长细比λ和轴压比m为参数的钢管混凝土(CFT)轴心受压柱的持久荷载试验研究，分析长期荷载作用后CFT柱的稳定承载力。结果表明，与未施加持久荷载的中长柱相比，持久荷载作用后钢管进入弹塑性和塑性时对应的荷载降低，而构件达到最大荷载时对应的应变增大；随长细比和轴压比的增大，长期荷载作用对CFT柱稳定承载力的影响越大，且前者的影响大于后者。提出采用考虑持久荷载作用影响的核心混凝土应力-应变关系模型，分三阶段计算的有限元计算方法分析持久荷载作用后的CFT柱稳定极限承载力，结果与试验结果吻合较好，可用于参数分析。     

火灾作用后钢管混凝土柱的承载力研究

在确定了钢材和混凝土在高温作用后应力 应变关系模型的基础上 ,本文利用数值分析方法成功地计算出ISO 83 4规定的标准升温曲线作用后圆钢管混凝土和方钢管混凝土压弯构件荷载 变形关系曲线 ,理论计算结果和试验结果基本吻合。在系统分析火灾持续时间、构件截面含钢率、钢材种类、混凝土强度等级、荷载偏心率和构件截面尺寸等因素对火灾作用后钢管混凝土构件承载力影响规律的基础上 ,提出火灾作用后圆钢管混凝土和方钢管混凝土构件承载力的简化计算方法     

矩形不锈钢管混凝土柱双向偏压力学性能试验研究

完成了14根矩形不锈钢管混凝土柱在双向偏压下的试验研究,试验考察的主要参数为:荷载偏心率、混凝土强度和试件长度。试验结果表明:在双向偏心受压荷载作用下,矩形不锈钢管混凝土柱具有良好的延性;荷载偏心率、混凝土强度和试件长度对矩形不锈钢管混凝土双向偏压试件的承载力和延性都有着明显的影响,跨中截面的应变变化符合平截面假定。采用现有《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ/T 13—51—2010)中的钢管混凝土双向压弯相关方程对试验构件的极限承载力进行了计算,其结果和试验值吻合较好。     

高温作用后圆钢管混凝土轴压力学性能研究

通过对 13个圆钢管混凝土短试件在恒定高温作用后荷载 -变形关系的试验 ,研究高温作用后钢管混凝土轴压力学性能和强度承载力的变化规律。结果表明 ,高温作用后圆钢管混凝土轴心受压构件仍然具有较好的抗变形性能和较高的后期承载力 ;钢管混凝土剩余强度和弹性模量总体上随温度的升高而降低。利用数值分析方法计算了圆钢管混凝土轴压荷载 -变形关系曲线 ,理论计算结果和试验结果吻合较好 ,在此基础上提出了恒高温作用后钢管混凝土轴压承载力和轴压模量简化计算公式     

矩形钢管混凝土短柱轴压承载力神经网络评估

人工神经网络在信息处理和计算方面优于传统方法 ,它不但具有一般的计算能力 ,还可以通过学习和记忆而获得知识进行推理 ,找出输入、输出、变量之间的关系从而得出结果。由于对矩形钢管混凝土的研究不够深入 ,故各种因素对矩形钢管混凝土短柱承载力的影响难以确定。探讨了用人工神经网络理论预测矩形钢管混凝土轴心受压构件强度承载力的可行性 ,在矩形钢管混凝土轴心受压短柱强度承载力试验的基础上 ,训练了一个三层 BP网络模型 ,并对矩形钢管混凝土轴心受压短柱强度承载力进行了预测 ,从而为承载力的评估提供了一种不同于传统思路的新方法。     

Behavior of biaxially-loaded rectangular concrete-filled steel tubular slender beam-columns with preload effects

In composite construction, rectangular hollow steel tubular slender beam-columns are subjected to preloads arising from construction loads and permanent loads of the upper floors before infilling of the wet concrete. The behavior of biaxially loaded thin-walled rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) slender beam-columns with preloads on the steel tubes has not been studied experimentally and numerically. In this paper, a fiber element model developed for CFST slender beam-columns with preload effects is briefly described and verified by existing experimental results of uniaxially loaded CFST columns with preload effects. The fiber element model is used to investigate the behavior of biaxially loaded rectangular CFST slender beam-columns accounting for the effects of preloads and local buckling. Parameters examined include local buckling, preload ratio, loading angle, depth-to-thickness ratio, column slenderness, loading eccentricity and steel yield strength. The results obtained indicate that the preloads on the steel tubes significantly reduce the stiffness and strength of CFST slender beam-columns with a maximum strength reduction of more than 15.8%. Based on the parametric studies, a design model is proposed for axially loaded rectangular CFST columns with preload effects. The fiber element and design models proposed allow for the structural designer to efficiently analyze and design CFST slender beam-columns subjected to preloads from the upper floors of a high-rise composite building during construction.     

长期荷载作用下带脱空缺陷钢管混凝土柱的受力性能研究

为研究长期荷载作用对带脱空缺陷钢管混凝土柱受力性能的影响,以脱空类型、脱空率和长期荷载比为主要参数,对长期荷载作用下带脱空缺陷钢管混凝土短柱的变形特性和承载力进行了试验研究。试验结果表明：在长期荷载作用下,与普通无脱空缺陷钢管混凝土柱类似,脱空缺陷钢管混凝土柱徐变系数终值的上限值为0.9;长期荷载比大的脱空缺陷钢管混凝土柱较长期荷载比小的脱空缺陷钢管混凝土柱的承载力略大。采用有限元分析软件ABAQUS,对考虑长期荷载作用影响时脱空构件的受力性能进行分析,有限元计算结果和试验结果吻合良好。利用验证过的有限元模型,系统地分析了长细比、含钢率、钢管屈服强度、混凝土强度、长期荷载比、脱空率和荷载偏心率等参数对长期荷载作用下带脱空缺陷钢管混凝土柱的承载力影响规律。结果表明,混凝土脱空缺陷对考虑长期荷载作用的承载力影响系数的不利影响小于1.5%;现有的考虑长期荷载影响的普通钢管混凝土柱的设计方法可用于预测带脱空缺陷钢管混凝土柱的承载力。     

Behaviour of concrete filled steel tubular (CFST) stub columns under eccentric partial compression

This paper investigates the behaviour of concrete filled steel tubular (CFST) stub columns subjected to eccentric partial compression. Twenty-eight specimens were tested and presented. The main parameters in test program include: (1) section type: circular, square and rectangular; (2) load eccentricity ratio (including uniaxial and biaxial loading): from 0 to 0.4; and (3) shape of the loading bearing plate (BP): circular, square, strip and rectangular. The test results indicated that, similar to the corresponding fully loaded CFST stub columns under eccentric loading, CFST stub columns under eccentric partial compression have generally reasonable bearing capacity and favorable ductility. A finite element analysis (FEA) model for CFST stub columns under eccentric partial compression is developed and the predicted performances are validated through measured results. The FEA model is then used to investigate the mechanisms of such composite columns further.     

大长细比钢管混凝土轴心受压柱承载力的试验研究

进行了12个钢管混凝土和4个空铜管轴心受压构件的试验研究．研究结果表明,由于填充了混凝土,可以有效地延缓钢管的局部屈曲,从而使钢管混凝土长柱具有较高的承载力．通过试验结果表明,对于长细比为130～155的钢管混凝土柱,《钢-混凝土组合结构设计规程》（DL5058／T）中有关承载力计算公式的计算结果与实测结果相比偏于保守,浇灌混凝土以后,钢管混凝土构件的承载力较空钢管可提高30％左右．     

High strength thin-walled rectangular concrete-filled steel tubular slender beam-columns,Part I: Modeling

High strength thin-walled rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) slender beam-columns under eccentric loading may undergo local and overall buckling. The modeling of the interaction between local and overall buckling is highly complicated. There is relatively little numerical study on the interaction buckling of high strength thin-walled rectangular CFST slender beam-columns. This paper presents a new numerical model for simulating the nonlinear inelastic behavior of uniaxially loaded high strength thin-walled rectangular CFST slender beam-columns with local buckling effects. The cross-section strengths of CFST beam-columns are modeled using the fiber element method. The progressive local and post-local buckling of thin steel tube walls under stress gradients is simulated by gradually redistributing normal stresses within the steel tube walls. New efficient Müller's method algorithms are developed to iterate the neutral axis depth in the cross-sectional analysis and to adjust the curvature at the columns ends in the axial load–moment interaction strength analysis of a slender beam-column to satisfy equilibrium conditions. Analysis procedures for determining the load–deflection and axial load–moment interaction curves for high strength thin-walled rectangular CFST slender beam-columns incorporating progressive local bucking and initial geometric imperfections are presented. The new numerical model developed is shown to be efficient for predicting axial load–deflection and axial load–moment interaction curves for high strength thin-walled rectangular CFST slender beam-columns. The verification of the numerical model and parametric studies is given in a companion paper.     

配筋圆钢管自密实混凝土柱抗震性能试验研究

通过7根配筋圆钢管自密实混凝土柱和1根圆钢管自密实混凝土对比柱的低周反复荷载试验,研究了纵筋配筋率、轴压比和钢管壁厚对配筋圆钢管自密实混凝土柱的承载力、延性、耗能能力和性能退化规律的影响。试验结果表明:配筋圆钢管自密实混凝土试件的滞回曲线饱满,表现出良好的抗震性能,在加载中后期,配筋试件的纵筋屈服,强度得到发挥,配筋圆钢管自密实混凝土试件的承载力和延性较普通圆钢管自密实混凝土试件均有不同程度提高,同时,耗能性能提高,且纵筋配筋率越大,配筋圆钢管自密实混凝土试件的承载力和延性也越大。轴压比和钢管壁厚对配筋圆钢管自密实混凝土柱抗震性能的影响规律与普通圆钢管混凝土柱相同。     

Nonlinear analysis of circular concrete-filled steel tubular short columns under axial loading

The confinement effect provided by the steel tube in a circular concrete-filled steel tubular (CFST) short column remarkably increases the strength and ductility of the concrete core. The reliable prediction using nonlinear analysis methods for circular CFST columns relies on the use of accurate models for confined concrete. In this paper, accurate constitutive models for normal and high strength concrete confined by either normal or high strength circular steel tubes are proposed. A generic fiber element model that incorporates the proposed constitutive models of confined concrete is created for simulating the nonlinear inelastic behavior of circular CFST short columns under axial loading. The generic fiber element model developed is verified by comparisons of computational results with existing experimental data. Extensive parametric studies are conducted to examine the accuracy of various confining pressure models and the effects of the tube diameter-to-thickness ratio, concrete compressive strengths and steel yield strengths on the fundamental behavior of circular CFST columns. A new design formula accounting for concrete confinement effects is also proposed for circular CFST columns. It is demonstrated that the generic fiber element model and design formula adequately predict the ultimate strength and behavior of axially loaded circular CFST columns and can be used in the design of normal and high strength circular CFST columns.     

FRP钢管混凝土柱抗爆性能数值模拟

为研究FRP钢管混凝土柱(CFST)的抗爆性能,建立了比例距离为0.28 m·kg^-1/3时爆炸荷载下纤维增强复合材料(FRP)钢管混凝土柱的数值模型。运用LS-DYNA非线性有限元程序中的高能爆炸材料模型及状态方程来施加爆炸荷载,采取多物质流固耦合方法进行数值模拟,通过试验数据验证了该模型的合理性。通过数值模拟展示了FRP钢管混凝土柱的位移时程及钢管、混凝土、FRP的等效应力变化,分析了其变化规律与分布特征。此外,通过改变相应参数研究了FRP层数、钢管屈服强度及混凝土强度对FRP钢管混凝土柱的影响程度。结果表明:FRP的约束可以有效提高钢管混凝土的抗爆性能,其易损部位主要发生在柱中及柱两端; 增加FRP层数,提高钢管屈服强度和混凝土强度均可提高柱的抗爆性能; 建立的模型可以进一步推广到不同比例距离、不同截面形状的FRP钢管混凝土柱抗爆研究,同时为FRP钢管混凝土抗爆设计提供了一定依据。     

轴向往复荷载作用下钢管混凝土柱抗震性能试验研究

为了探究斜交网格结构体系中外筒斜柱的破坏机制,对8个钢管混凝土柱和2个钢管柱试件进行了轴向往复加载试验,研究加载路径、长径比、混凝土强度和含钢率对其抗震性能的影响,分析了钢管混凝土柱的破坏机制、破坏形态和滞回性能,并讨论了钢管与混凝土间的相互作用。结果表明：轴向往复荷载下钢管混凝土柱的破坏均由钢管断裂引起,核心混凝土整体保持完好,只在钢管屈曲处存在混凝土压碎现象;相比于空钢管柱,钢管混凝土柱受拉时混凝土对钢管的支撑作用,以及受压时钢管对混凝土的约束作用,保证了其具有更高的承载力、变形能力和耗能能力;钢管混凝土柱在轴压和轴拉荷载下的抗震性能存在显著差别,在轴拉荷载下具有更好的延性和耗能能力,而在轴压荷载下具有更高的承载力和刚度。钢管混凝土柱屈服后钢管对混凝土的约束作用持续增强,并当钢管纵向应变达到8×10^-3时,不同参数对其约束效应的影响达到最大。